Синхронные машины

Вследствие указанной маг­нитной и электрической несимметрии, строго говоря, вместо единой успокоительной обмотки необходимо рассмат­ривать каждый контур тока на рис. 1а или 2а как отдельную обмотку или отдельную цепь тока.

Для каждого такого контура по отдельности можно составить уравнение напря­жения или второе уравнение Кирхгофа, причем эти уравнения будут независимы друг от друга, а сопротивления и индуктивности каждого контура различны. В уточненной теории переходных про­цессов и других особых режимов действие успокоительной обмотки учитывается именно так. Однако для большинства практических целей задачу можно упростить и рассматривать по каждой оси одну эквивалентную успокоительную обмотку, с эквивалентными токами Iуд, Iyq и эквивалентными параметрами. Можно считать, что такие эквивалентные обмотки представляют собой коротко-замкнутые витки с полным шагом (рис. 3).

Рис 3.

Активные сопротив­ления и индуктивности Lyd, Lyq эквивалентных успокоитель­ных обмоток по разным осям различны.

Токи и параметры успокоительных обмоток также можно привести к обмотке якоря. При этом взаимная индуктивность с обмоткой яко­ря для продольной оси будет равна Lad, а для поперечной оси Laq. Полные приведенные собственные индуктивности успокоительной обмотки будут:

где — приведенные индуктивности рассеяния успокои­тельной обмотки соответственно для продольной и поперечной осей. Очевидно,  что  

.

Вместо полной успокои­тельной обмотки иногда применяют также неполную успокоитель­ную обмотку (рис. 4),

Рис 4.

ко­торая не имеет междуполюсных соединений. Отсутствие междуполюсных соединений не влияет на величину и рас­пределение токов,а также на величину параметров успокои­тельной обмотки по продоль­ной оси. Однако действие та­кой обмотки по поперечной оси значительно ослабляется, так как активное сопротив­ление ryd и индуктивность рассеяния увеличивают­ся, а ток эквивалентной обмотки , уменьшается. Поэтому неполные успокоительные обмотки            применяются редко.

Отметим, что в каждом реальном стержне успокоительной об­мотки протекает ток, равный сумме продольного и поперечного токов стержня, и ввиду разных направлений этих токов суммарные токи стержней, расположенных симметрично относительно центра полюсного наконечника, различны.

Неявнополюсные синхронные машины имеют массивный ро­тор, обычно лишены специальной успокоительной обмотки, и роль последней играет само тело ротора. Это же справедливо для явнополюсных машин с массивными полюсами. Действие мас­сивного ротора и массивных полюсов также можно заменить действием эквивалентных успокоительных обмоток.

Для неявнополюсной машины, имеющей цилиндрический ротор, параметры таких обмоток для обеих осей можно принять одинаковым. Строго говоря, это же справедливо и для обычных успо­коительных и пусковых обмоток, так как сечение стержней этих обмоток достаточно велико.

Некоторое действие оказывают также вихревые токи, индукти­руемые при изменении Фad Фaq в элементах магнитной цепи ротора явнополюсной машины, имеющей полюсы из листовой ста­ли. Это эквивалентно наличию некоторой дополнительной успокои­тельной обмотки. Однако этот эффект мал и обычно не учитывается.

Следует отметить также, что приведенная взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и успокоительной больше, а рассеяние между ними меньше, чем между этими двумя обмотками и обмоткой якоря. Это обусловлено тем, что указанные две обмотки расположены на индукторе поблизости и неподвижны относительно друг друга. Ввиду последнего обстоятельства взаимная индуктив­ность обмоток возбуждения и успокоительной обусловлена также высшими гармониками их полей в воздушном зазоре. То же самое характерно и для двухклеточного асинхронного двигателя, в кото­ром взаимная индуктивность между обмотками ротора также больше, чем между обмотками ротора и обмоткой статора. Однако в синхронных машинах этим обстоятельством часто пренебрегают.

Необходимо также подчеркнуть, что взаимная индукция между поперечной успокоительной обмоткой и обмоткой возбуждения отсутствует.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

Характеристика холостого хода

(х. х. х.) определяет зависи­мость U = f (if) при I = 0 и f = fн Очевидно, что в режиме холо­стого хода U = Е. Если х. х. х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах, полагая,

              ,

Рис 1.

где - ток холостого хода при U=Uн, то эти х .х. х. будут мало отличаться друг от друга. Поэтому при расчетах различных режимов работы энер­гетических систем, в которых работает много генераторов, для упрощения расчетов принимает­ся, что х. х. х. всех турбогене­раторов, а также х. х. х. всех гидрогенераторов, выраженные в относительных единицах, оди­наковы и соответствуют некото­рым средним данным реальных характеристик генераторов (рис. 1).

Такие х. х. х. называются нормальными. Нормальные ненасыщенные х. х. х. показаны на рис. штриховыми линиями.

Характеристика короткого замыкания

(х. к. з.) снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки якоря накоротко (симмет­ричное короткое замыкание) и определяет зависимость I = f (if) при U = 0 и f =fн.

Если пренебречь весьма незначительным активным сопротивле­нием якоря, то сопротивление цепи якоря в режиме короткого замыкания будет чисто индуктивным. Поэтому = 90°, Iq = 0, Id = 1 и

Уравнению соответствует схема замещения рис. 1, а и векторная диаграмма рис. 1, б.

Рис 1.

              При коротком замыкании реакция якоря является чисто размаг­ничивающей, э. д. с. Е, от результирующего потока воздушного зазора, равная

Опытное определение

              Опытные х. х. х. и х. к. з. (рис.1) позволяют определить опытное значение продольного синхронного сопротивления xd.

Обычно находят ненасы­щенное значение этого сопротивления , которое в отличие от насыщенного значения xd для каждой машины вполне определенное. Чтобы определить , для какого-либо зна­чения тока возбуждения, например if = ОА (рис. 1), по спрямленной ненасыщенной х. х. х. 3 находят и по х. к. з. 2 — ток I, после чего вычисляют

Если   и I выражены в относительных единицах, то и получается в этих же единицах.                           

будет определять насыщенное значение хд при таком насыщении магнитной цепи, которое соответствует данному значению Е. Кри­вая 4 (рис.) представляет собой насыщенные значения xd = f(if).

Отношение короткого замыкания (о. к. з.).

Отношением короткого замыкания kо.к.з. согласно ГОСТ 183—66, называется отношение установившегося тока короткого замыкания Ik0 при токе возбуждения, который при холостом ходе и п = nн дает Е =Uн, к номинальному току якоря Iн

Рис 1.

              В соответствии с рис. 1

              где xd — насыщенное значение продольного синхронного сопротивления

              Величина о. к. з., как и величина хd, определяет предельную величину нагрузки, кото­рую способен нести генератор при установившемся режиме работы, причем, чем больше о. к. з., тем больше предельная нагрузка.

Поэтому о. к. з. является важным параметром синхронных машин.

В соответствии с изложенным величина о. к. з. тем больше, чем больше величина зазора между статором и ротором. Поэтому машины с большим о. к. з. дороже.

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика определяет зависимость U = f (/) при if = const. cos = const, f = /„ и показывает, как изменяется напряжение машины U при изменении величины нагрузки и неиз­менном токе возбуждения. Внешняя характе­ристика снимается следующим образом: при if = const посредством изменения момента или мощности приводного двигателя изменяют ступенями активную мощность генератора Р и при каждом значении Р с помощью регулируемого трансформатора РТ изменяют U на зажимах генератора так, что достигается необходимое значение cos.

              Вид внешних характеристик при разных характерах нагрузки показан на рис. 1, причем предполагается, что в каждом случае величина тока возбуждения отрегулирована так, что при I=Iн„ также U = Uн. Отметим, что величина If при номинальной нагрузке называется номинальным током возбуждения. {Вид внешних характеристик синхронного генератора объ­ясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис. 1) существует значительная продольная размагничивающая реакция якоря), которая растет с увеличением тока нагрузки I, и поэтому U с уве­личением I уменьшается. При чисто активной нагрузке (кривая 2 на рис. 1) также имеется продольная размагничивающая реак­ция якоря, но угол   между Е и I меньше, чем в предыдущем случае, поэтому продольная размагничивающая реакция якоря слабее и уменьшение U с увеличением I происходит медленнее.

              При опе­режающем токе (кривая 3 на рис. 1) возникает продольная

Рис 1.а

намагничивающая реакция якоря и по­этому с увеличением I напряжение U растет. Следует отметить, что значения if для трех характеристик  различны и наи­большее if соответствует характеристике 1.

Номинальное изменение напряжения синхронного генератора

— это изменение напряжения на зажимах генератора (при его работе отдельно от других генераторов) при изменении на­грузки от номинального значения до нуля и при неизменном токе возбуждения.

              Синхронные генераторы обычно рассчитываются для работы с номинальной нагрузкой при отстающем токе и cos = 0,8. Согласно кривой 1 на рис. 1,а при этом > 0. Величина дейст­вующими ГОСТ не регламентируется. Обычно

              Величина у турбогенераторов больше, чем у гидрогенераторов, так как у первых xd больше.

Регулировочная характеристика

              Регулировочная характеристика определяет зависимость if =f (I) при U = const, cos = const и / = const и показывает, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неиз­менным. Эта характеристика снимается сле­дующим образом: изменяется ступенями активная мощность Р и при каждом значении Р величина if регулируется так, что дости­гается cos = const. Ввиду изменения внутреннего падения на­пряжения в РТ одновременно с регулировкой if приходится также несколько регулировать напряжение РТ, чтобы поддержать U=const. Вид регулировочных характеристик показан на рис. 1,

Рис 1.

причем предполагается, что для всех изображенных там характеристик величина U одинакова.

Вид регулировочных характеристик также объясняется харак­тером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис.1) продольная реакция якоря является размагничивающей и для компенсации ее влияния на величины Ф и U с увеличением I необходимо значительно увеличивать ток возбуждения if. При чисто активной нагрузке (кривая 2) размагничивающая продольная реак­ция якоря слабее и требуется меньшее увеличение if. При опере­жающем токе (кривая 3) продольная реакция якоря стремится увеличивать Ф и U, вследствие чего для сохранения U = const необ­ходимо с увеличением / уменьшать if.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика   определяет зависимость U = f(if) при I = const, cos = const и I = const и показывает, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока воз­буждения if при условии постоянства тока нагрузки I и cos .

Рис 1.

Из числа разнообразных нагрузочных характеристик наибольший прак­тический интерес представляет так называемая индукцион­ная нагрузочная характеристика (рис. 1, кривая 2), которая соответствует чисто индуктивной нагрузке ге­нератора, когда cos = 0 (инд.).

Обычно она снимается для I=Iн. По схеме индукционную нагрузочную харак­теристику можно снимать так: с помощью РТ ступенями изме­няют U на зажимах генератора и одновременно регулируют if так, что достигается I=const. Вместе с тем при необходимости не­сколько регулируют величину момента приводного двигателя так, чтобы cos = 0.

Векторная диаграмма синхронного генератора при cos = О (инд.) изображена на рис,

Рис.

причем принято, что ra= 0. Из этой диаграммы видно, что в режиме индукционной характеристики существует чисто продольная размагничивающая реакция якоря